Là một công trình kiến trúc tôn giáo, làm bằng đá, tổng thể quy hoạch khá bề thế.
Kim Sơn là một huyện mới được thành lập vào năm 1829. Phát Diệm là thị trấn huyện lỵ Kim Sơn. Lúc đầu, vào năm 1862 ở Phát Diệm mới có một nhà thờ bằng tre lá. Nhà thờ như hiện nay được khởi công xây dựng từ năm 1875 và đến năm 1898 cơ bản hoàn tất. Nhà Thờ Phát Diệm gồm nhiều công trình kiến trúc, chủ yếu chia làm hai khu vực chính là khu nhà thờ và khu vực nhà chung. Đây là một tổng thể mang rõ phong cách kiến trúc đình làng Việt Nam, do người Việt Nam thiết kế và thi công. Trên một mặt bằng rộng lớn, khu nhà thờ có một trục chính là phương đình và nhà thờ chính oà. Các điện thờ và hang đá khác được xây dựng cân đối ở hai bên.
Nhìn từđường 10 vào nhà thờ Phát Diệm, trước tiên là một hồ nước lớn. Giữa hồ có một đảo nhỏ dựng tượng chúa Ki tô cao 3m, bên dưới là những lùm cây thấp xanh tốt, tiếp đó là phương đình bằng đá mái cong duyên dáng soi bóng xuống gương nước mặt hồ. Nhà thờ chính toà dựng tiếp sau phương đình. Phía đông là các điện thánh Rô cô, hang BộĐức Phía tây có các điện thánh Giuse, Phê rô, hang Bê lem, hang Táng xác và điện Trái tim Đức Bà.
Năm 1875 hang Táng xác là công trình xây dựng đầu tiên để thử nghiệm độ lún của đất bột phù sa Phát Diệm.
Năm 1876 khởi công xây dựng phương đình bằng đá, độc đáo và bề rộng lớn có một trục chính là phương đình và nhà thờ chính thể, cao 25m dài 24m, rộng 17m. Tầng dưới có cả cửa lớn, ở gian giữa kê một sập đá toàn khối dài 4m, rộng khoảng 3m, cao 0,35m. Tầng trên là gác chuông. Chuông đúc năm 1891; nặng 1,5 tấn; cao 1,15m; đường kính 1,2m.
Phương đình có năm nóc mái cong lợp ngói, nóc giữa đặt thánh giá, còn bốn nóc ở bốn phía đặt các tượng thánh sư.
Năm 1889 dựng điện Trái tim Đức Bà toàn bằng đá, sau hang Táng xác. Điện rộng 9 m, dài 15 m, nền cột, xà hoành đều bằng đá, tường bên trong chạm nổi hình con phượng hàm thư và hình sư tử. Điện trái tim chúa Kitô làm bằng gỗ mít, sáu gian, tổng cộng dài 19m, rộng 12m. Chính diện điện này cũng dựng bằng đá khá lớn và đẹp, kiểu tam quan.
Năm 1891 xây dựng Nhà thờ chính toà. Mặt chính toàn bằng đá cao ba tầng, mái cong. Cột, kèo, tường, nền bằng đá, mái lợp ngói, trên đỉnh cao có thánh giá. Các công trình bên trong bằng gỗ và đá. Đây là công trình lớn nhất ở nhà thờ Phát Diệm, dài 80m, rộng 24m, cao 18m, bao gồm 48 cột lim, chia làm sáu hàng, mỗi cột chu vi 2,4 m. Riêng 16 cột ở hai hàng giữa, mỗi cột cao 12m. Hai gian thánh điện có 14 bức phù điêu bằng đá miêu tả cuộc đời chúa Ki tô. Còn mặt chính điện được chạm gỗ sơn son thiếp vàng rực rỡở chín gian tiếp theo, hai bên có 72 bộ cửa gỗ bức bàn, tháo mở thuận tiện. Nhà thờ chính toà mang rõ kiến trúc đình làng xoay theo chiều dọc tiền đao hậu đốc, kết cấu gỗ theo kiểu trồng diêm với ba lớp mái. Năm 1894 xây dựng các điện thánh Giuse, Phêrô và Rôcô.
Cũng với gỗ, đá và tam quan, mái cong như kiểu đình chùa, nhà thờ Phát Diệm còn sử dụng nhiều nét chạm khắc gỗđá dân tộc với tay nghề vững vàng, điêu luyện. Vềđề tài động vật có sư tử, phượng, hươu nai, chim chóc các loại. Về thực vật có tùng, mai, cúc, trúc, đặc biệt là nhiều hoa sen, hoa chanh. Các phù điêu, chạm đá kể chuyện thánh nhưng được thể hiện với phong cách dân gian Việt Nam.
Trong phương đình, toà thánh điện, các điện thờ dùng khá nhiều đại tự, câu đối bia ký bằng chữ Hán mang đậm tính chất trang trí các kiến trúc cổ Việt Nam.
Nhà thờ Phát Diệm là một quần thể kiến trúc tôn giáo có giá trị. Từng di tích đều có phong cách riêng, lại được đặt trong một tổng thể rất cân đối, bố cục chặt chẽ. Các công trình kiến trúc và điêu khắc gỗ, đá của nhà thờđã kế thừa được các phong cách truyền thống của nhiều địa phương trong cả nước.